Корректор искажений
Для минимизации вносимых искажений выходным каскадом в рассматриваемом УМЗЧ использован корректор Хауксфорда (M.J.Hawksford). Такой корректор представляет собой модифицированную схему Алисона, которую он предложил еще в 1972 году и позднее запатентованную в Японии. Аналогичные решения использовал в своих схемах и наш соотечественник Акулиничев.
Принцип работы корректора Хауксфорда иллюстрирует блок схема.
В установившемся режиме между базой транзистора Т5 (точка X) и выходом есть потенциал Е. Такой же потенциал и между выходом и второй аналогичной входной точкой противоположного плеча Y.
В классическом токовом шунте нет дополнительных резисторов R1, R2, транзисторы Т1, Т2 поддерживают потенциал между базами транзисторов Т3, Т4, работая по принципу параметрического стабилизатора напряжения, т.е. как обычная схема смещения. Добавление резисторов R1, R2 придает схеме новые качества.
Что представляет собой K в верхней формуле? Это не что иное, как коэффициент передачи напряжения Е в базу транзистора Т1 (Т2).
В обычном выходном каскаде выходное напряжение никогда не повторяет в точности входное, т.е. коэффициент передачи немного меньше 1. И только благодаря высокой ООС (если, например, к выходному каскаду добавить ОУ и охватить его вместе с ВК 100% ООС, включить в режиме повторителя) можно получить коэффициент передачи, близкий к 1.
Эту задачу Хауксфорд решил с помощью дополнительных резисторов R1, R2, использовав усилительные свойства транзисторов обычного токового шунта. Он разрабатывал изначально это решение для усилителей без обратной связи.
Потенциал в точке соединения резисторов R2 равен потенциалу на выходе выходного каскада. А теперь представим, что противо-ЭДС отрицательного значения приложена к выходу и смещает выходное напряжение по отношению к средней точке резисторов R2 в минус.
В этом случае пойдет в сторону уменьшения и потенциал точки X. Но так как в эмиттерах за счет делителя R2 между точками X и Y половина напряжения, то оно оказывается выше выходного напряжения ВК, и поэтому БЭ напряжение транзистора Т1 уменьшается и он призапирается, тем самым давая больший ток верхнего резистора R1 в базу транзистора Т3, напряжение на выходе стремится к входному, т.е. восстанавливается.
При точном соответствии расчетных резисторов схема эквивалентна схеме выходного каскада с глубокой ООС, но местной, более быстродействующей.
Такое равновесие и дает 100% повторение входного напряжения на выходе выходного каскада с вытекающими последствиями, т.е. выходное сопротивление близко к нулю, а искажения практически отсутствуют.
Отклонение баланса в одну сторону ведет к росту выходного сопротивления и росту искажений, отклонение баланса в другую сторону также ведет к росту искажений, но выходное сопротивление при этом становится отрицательным.
Теперь перейдём к практической схеме УМЗЧ с корректором Хаусфорда. При разработке схемы основной «упор» делался на стабилизацию работы каскадов с учетом тепловых искажений.
Схема электрическая
Технические характеристики
Класс усилителя – AВ;
Напряжение питания – двухполярное ±40 В;
Начальный ток выходного каскада (ток покоя) – 120 мА;
Уровень входного сигнала – 1 В (действующее);
Выходная мощность номинальная (4 Ом) – 120 Вт;
THD при номинальной выходной мощности (120 Вт) на частотах:
1 кГц – 0,003%;
20 кГц – 0,05%.
В входном каскаде транзисторы VT1 и VT2 работают в режиме преобразователя напряжение-ток и имеют высокое выходное сопротивление. Ток их коллекторов (около 3 мА) задан резисторами R8, R11. Переменное напряжение на базах транзисторов – менее 10 мВ, поэтому колебания тока коллектора не превышают ±1,4 мА. Мощность, рассеиваемая на этих транзисторах в режиме покоя – около 115 мВт. При этом максимальная мощность составляет 167 мВт, а минимальная – 61 мВт.
Таким образом, мощность на транзисторах изменяется почти в 3 раза. С целью минимизации тепловых искажений этого каскада в цепи коллекторов включены резисторы R14 и R15. Известно, что максимальная пиковая мощность, рассеиваемая на транзисторе в каскаде с ОЭ, приходится на момент, когда на коллекторе половина напряжения питания.
При отклонении этого напряжения в сторону увеличения или уменьшения мощность снижается. Из этих соображений, а также с учетом того, что под нагрузкой напряжение питания может снижаться, и выбраны сопротивления резисторов R14, R15. С такой доработкой мощность, рассеиваемая на входных транзисторах, колеблется в пределах 60±5 мВт.
Мощность, рассеиваемая на транзисторах УН VT3, VT4 в режиме покоя составляет примерно 120 мВт и колеблется в противоположных плечах при выходном напряжении, близком к клипированию, от 18 до 220 мВт. Дополнительная корректирующая RC-цепь R16C13, включенная в точку соединения коллекторов транзисторов VT3 и VT4, является «противовозбудной».
Ещё из особенностей схемы – коррекция «на опережение» в ВК с помощью RC-цепей R30C16 и R31C17. Такая коррекция на ВЧ способствует увеличению запаса по фазе. Резистор R18 выполняет две функции: совместно с резистором R17 образует нагрузку для УН и «смягчает» действие фазовращающей RC-цепи двухполюсной коррекции.
Использование интегратора на ОУ DA1 позволяет снизить постоянное напряжение на выходе УМЗЧ до минимально возможного (доли мВ).
Спектр гармоник усилителя содержит преимущественно гармоники низших порядков и не наблюдается роста искажений вплоть до частоты 10 кГц. На частотах выше имеет место увеличение нелинейных искажений, в основном, за счет второй и третьей гармоник.
Конструкция и детали
Схема выполнена на печатной плате размерами 95×83 мм. Чертеж платы показан ниже. Плата двухсторонняя, но верхний слой содержит всего три печатных проводника, так что их вполне можно заменить монтажным проводом.
Транзисторы VT9 и VT10, помимо коррекции искажений, выполняют функцию термостабилизации ВК, поэтому вынесены на теплоотвод совместно с VT15 и VT16. На транзисторах VT13, VT14 необходимо закрепить теплоотводы в виде алюминиевых пластинок толщиной 1,8...2 мм. Дроссель L1 намотан виток к витку на резисторе R43 проводом 0,7-0,8 мм до заполнения.
Каких-либо настроек в схеме не предусмотрено. Ток покоя выходного каскада большей частью зависит от номиналов резисторов R36, R39 и типов применённых транзисторов VT9, VT10. Эти транзисторы (как, впрочем, и все транзисторы в схеме) особенно тщательно должны подобраны в пары, а номиналы цепей корректора выбраны с минимальными допусками. Замена этих транзисторов, другими типами или, скажем увеличение, даже небольшое, сопротивлений R36 и R39, может привести к скачкообразному росту тока через ВК.
Первое включение желательно производить без нагрузки через последовательно подсоединенные ограничители тока (лампы накаливания 220 В, 60...100 Вт). В разрыв одного из плеч питания включается миллиамперметр и проверяется ток потребления усилителя (не должен превышать 200 мА). При большом токе потребления (в случае неисправных элементов или ошибок в монтаже) напряжение питания упадет на лампах, что защитит выходные транзисторы.
Напряжение на выходе схемы должно быть не больше ±5…10 мВ. Ток покоя выходных транзисторов 120±20 мА.